Recharge sans fil des téléphones mobiles

Recharge sans fil des
téléphones mobiles
Science physique pour l’ingénieur
AHAFHAF Amine
EL ALAOUI Abderazak
EL JALOULI Marouane
MATERRE Damien
OBDAM Guillaume
FIPA 17 P1G2
10 Mars 2014

Recharge sans fil des téléphones mobiles
SPI
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Table des matières
Table des illustrations .............................................................................................................................. 3
Introduction ............................................................................................................................................. 5
I. Historique de la transmission d’énergie .......................................................................................... 6
II. La réponse à un besoin .................................................................................................................... 8
III. Sociétés, entreprises et consortiums .......................................................................................... 9
IV. Rappel sur l’électromagnétisme ................................................................................................ 11
1. Champs d’induction magnétique ........................................................................................... 11
a. Définition ............................................................................................................................... 11
b. Cas du fil de longueur infinie ................................................................................................. 11
c. Cas d’une spire circulaire : calcul sur l’axe de la spire........................................................... 12
2. Champ d’excitation magnétique  ........................................................................................... 13
a. Définition ............................................................................................................................... 13
3. Théorème d’ampère .................................................................................................................. 13
a. Exemple d’application ........................................................................................................... 14
4. Flux magnétique ........................................................................................................................ 14
a. Définition ............................................................................................................................... 14
b. Cas d’une spire inclinée ......................................................................................................... 14
5. La loi de Lenz ............................................................................................................................. 14
V. Transfert d’énergie ........................................................................................................................ 15
1. Introduction ............................................................................................................................... 15
2. L’énergie consommée ............................................................................................................... 15
3. Principe de fonctionnement ..................................................................................................... 16
4. Le facteur de couplage .............................................................................................................. 17
5. Exigences électriques de la bobine du secondaire .................................................................... 19
a. Le blindage ............................................................................................................................ 19
b. Calibre du fil ........................................................................................................................... 20
c. Nombre de tour ..................................................................................................................... 20
d. Mesure de la bobine Rx ......................................................................................................... 21
e. Réglage de la bobine Rx......................................................................................................... 21
6. Le facteur de qualité .................................................................................................................. 22
7. Présentation d’une ligne de charge d’une batterie de téléphone portable : ........................... 22
8. Le facteur de pertes minimales ................................................................................................. 23
9. Le rendement ............................................................................................................................ 24

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VI. Schéma bloc du système complet ............................................................................................. 26
1. Schéma bloc général ................................................................................................................. 26
a. La partie émettrice ................................................................................................................ 26
b. La partie réceptrice ............................................................................................................... 26
2. Schéma de chaque bloc ............................................................................................................. 27
a. Le convertisseur AC/DC ......................................................................................................... 27
b. Le Pilote ................................................................................................................................. 36
a. Le capteur V/I ........................................................................................................................ 38
b. Le contrôleur de l’émetteur .................................................................................................. 39
c. Le redresseur ......................................................................................................................... 40
d. Le conditionneur ................................................................................................................... 40
e. La communication ................................................................................................................. 41
f. Le contrôleur du récepteur ................................................................................................... 41
VII. Explication des fonctions annexes ............................................................................................ 42
1. Communication base-téléphone ............................................................................................... 42
2. Gestion de la charge .................................................................................................................. 44
1. Rappels sur la batterie lithium-ion ............................................................................................ 44
VIII. Schéma d’une base de recharge sans fil ................................................................................... 46
IX. L’intérêt de cette technologie ................................................................................................... 46
1. Avantage et inconvénients ........................................................................................................ 46
a. Avantages : ............................................................................................................................ 46
b. Inconvénients ........................................................................................................................ 46
2. Aspect marketing ....................................................................................................................... 46
X. L’avenir de cette technologie ........................................................................................................ 47
1. Le domaine automobile............................................................................................................. 47
2. Les produits grand public .......................................................................................................... 48
3. Le milieu médical ....................................................................................................................... 49
4. Le domaine spatial..................................................................................................................... 49
XI. Conclusion ................................................................................................................................. 50
XII. Annexe ....................................................................................................................................... 51
XIII. Référence .................................................................................................................................. 56

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Table des illustrations
Figure 1 : Expérience de Hertz avec à gauche le l’oscillateur émettant. ................................................ 6
Figure 2 : Transformateur de Pikes Peak ................................................................................................. 7
Figure 3 : Bobines utilisées par le MIT pour tester la résonnance magnétique. ..................................... 7
Figure 4 : Des points de recharge dans un café ...................................................................................... 8
Figure 5 : Les membres liés à la Wireless Power Consortium ................................................................ 9
Figure 6: principe du transfert d'énergie sans fil .................................................................................. 15
Figure 7: Transformateur traditionnel .................................................................................................. 16
Figure 8 : Couplage magnétique pour une transmission de puissance ................................................. 17
Figure 9: Variation du facteur de couplage ........................................................................................... 18
Figure 10: Transformateur avec bobines de fuite et de magnétisation ................................................ 18
Figure 11: Transformateur avec un noyau d'air .................................................................................... 19
Figure 12 : concentration du champ magnétique entre les deux bobines ........................................... 20
Figure 13: Configuration pour mesurer l'inductance Ls' de la bobine Rx ............................................. 21
Figure 14: Circuit résonnant .................................................................................................................. 22
Figure 15: Ligne de charge d'une batterie ............................................................................................. 23
Figure 16: Facteur de pertes suivant le produit du facteur de qualité et de couplage ......................... 24
Figure 17: Rendement pour un transfert d'énergie sans fil suivant la distance entre les deux bobines
............................................................................................................................................................... 24
Figure 18: Schéma bloc du système complet ........................................................................................ 26
Figure 19: Cahier des charges................................................................................................................ 29
Figure 20: Schéma du redressement ..................................................................................................... 30
Figure 21: Signal d'entrée ...................................................................................................................... 30
Figure 22: Signal redressé ..................................................................................................................... 30
Figure 23: Signal lissé ............................................................................................................................ 31
Figure 24: Schéma du hacheur Buck ..................................................................................................... 32
Figure 25: Représentation du MLI ......................................................................................................... 33
Figure 26: Tension de sortie du montage.............................................................................................. 33
Figure 27: Récapitulatif du dimensionnement ...................................................................................... 34
Figure 28: Schéma du montage complet............................................................................................... 34
Figure 29 : Structure en demi-pont ....................................................................................................... 36
Figure 30 : Exemple de la partie pilote. ................................................................................................. 36
Figure 31 : Oscillogramme de la tension aux bornes de l’inductance Lload ......................................... 37
Figure 32 : Montage mesurant le courant ............................................................................................ 38
Figure 33 : Schéma bloc du BQ500210 de Texas Instruments .............................................................. 39
Figure 34 : Schéma simple d’un Hot-Swap ............................................................................................ 40
Figure 35 : Schématique d’une variation de charge résistive ............................................................... 41
Figure 36 : Schématique d’une variation de charge capacitive ............................................................ 41
Figure 37: Comparaison de différentes technologies de batterie suivant leurs densités massique .... 44
Figure 38: Comparatif des différentes technologies de batterie .......................................................... 44
Figure 39: La batterie d'un Iphone5 ...................................................................................................... 45
Figure 40: Gestion de la charge d'une batterie lithium-polymère ........................................................ 45
Figure 41: Image de synthèse ................................................................................................................ 49
Figure 42: Schéma du hacheur .............................................................................................................. 51

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Figure 43: Représentation des deux séquences de fonctionnement .................................................... 51
Figure 44: Commutation courant / tension........................................................................................... 51
Figure 45: Schéma complet du hacheur ................................................................................................ 52
Figure 46: Chronogrammes du fonctionnement pour une période ...................................................... 53
Figure 47: représentation de l'ondulation suivant  ............................................................................ 54